愛華網(wǎng)發(fā)布: 2009-8-13 07:28 | 作者: xfhandsome | 來源: 萬客化工在線
李煜 (2009-8-13 14:59:46)
質(zhì)純的高嶺土具有白度高、質(zhì)軟、易分散懸浮于水中、良好的可塑性和高的粘結(jié)性、優(yōu)良的電絕緣性能；具有良好的抗酸溶性、很低的陽離子交換量、較好的耐火性等理化性質(zhì)。因此高嶺土已成為造紙、陶瓷、橡膠、化工、涂料、醫(yī)藥和國防等幾十個行業(yè)所必需的礦物原料。有報道稱，日本還有將高嶺土用于代替鋼鐵制造切削刀具、車床鉆頭和內(nèi)燃機外殼等方面應(yīng)用。特別是最近幾年，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，使得高嶺土的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，一些高新技術(shù)領(lǐng)域開始大量運用高嶺土作為新材料，甚至原子反應(yīng)堆、航天飛機和宇宙飛船的耐高溫瓷器部件，也用高嶺土制成。
目前，全球高嶺土總產(chǎn)量約為4000萬噸(該數(shù)據(jù)屬于簡單的國與國產(chǎn)量的相加，其中沒有統(tǒng)計原礦的貿(mào)易量，包含較多的重復(fù)計算)，其中精制土約為2350萬噸。造紙工業(yè)是精制高嶺土最大的消費部門，約占高嶺土總消費量的60%。據(jù)加拿大Temanex咨詢公司提供的數(shù)據(jù)，2000年全球紙和紙板總產(chǎn)量約為31900萬噸，全球造紙涂料用高嶺土總用量為約1360萬噸。
高嶺土在造紙工業(yè)的應(yīng)用十分廣泛。主要有兩個領(lǐng)域，一個是在造紙(或稱抄紙)過程中使用的填料，另一個是在表面涂布過程中使用的顏料。對于一般文化紙，填料量占紙重量的10-20%。對于涂布紙和紙板(主要包括輕量涂布紙、銅版紙和涂布紙板)，除了需要填料外，還需要顏料，填、顏料用的高嶺土所占比重為紙重的20-35%。高嶺土應(yīng)用于造紙，能夠給予紙張良好的覆蓋性能和良好的涂布光澤性能，還能增加紙張的白度、不透明度，光滑度及印刷適性，極大改善紙張的質(zhì)量。
高齡土的工藝特性
旭日芳華
1．白度和亮度
白度是高嶺土工藝性能的主要參數(shù)之一，純度高的高嶺土為白色。高嶺土白度分自然白度和煅燒后的白度。對陶瓷原料來說，煅燒后的白度更為重要，煅燒白度越高則質(zhì)量越好。陶瓷工藝規(guī)定烘干105℃為自然白度的分級標(biāo)準(zhǔn)，煅燒1300℃為煅燒白度的分級標(biāo)準(zhǔn)。白度可用白度計測定。白度計是測量對3800—7000 ?波長光的反射率的裝置。在白度計中，將待測樣與標(biāo)準(zhǔn)樣(如BaSO4、MgO等)的反射率進行對比，即白度值(如白度90即表示相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)樣反射率的90%)。
亮度是與白度類似的工藝性質(zhì)，相當(dāng)于4570 ?波長光照射下的白度。
高嶺土的顏色主要與其所含的金屬氧化物或有機質(zhì)有關(guān)。一般含F(xiàn)e2O3呈玫瑰紅、褐黃色；含F(xiàn)e2+呈淡藍、淡綠色；含MnO2呈淡褐色；含有機質(zhì)則呈淡黃、灰、青、黑等色。這些雜質(zhì)存在，降低了高嶺土的自然白度，其中鐵、鈦礦物還會影響煅燒白度，使瓷器出現(xiàn)色斑或熔疤。
2．粒度分布
粒度分布是指天然高嶺土中的顆粒，在給定的連續(xù)的不同粒級(以毫米或微米篩孔的網(wǎng)目表示)范圍內(nèi)所占的比例(以百分含量表示)。高嶺土的粒度分布特征對礦石的可選性及工藝應(yīng)用具有重要意義，其顆粒大小，對其可塑性、泥漿粘度、離子交換量、成型性能、干燥性能、燒成性能均有很大影響。高嶺土礦都需要進行技術(shù)加工處理，是否易于加工到工藝所要求的細度，已成為評價礦石質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一。各工業(yè)部門對不同用途的高嶺土都有具體的粒度和細度要求。如美國對用作涂料的高嶺土要求小于2μm的含量占90—95%，造紙?zhí)盍闲∮?μm的占78—80%。
3．可塑性
高嶺土與水結(jié)合形成的泥料，在外力作用下能夠變形，外力除去后，仍能保持這種形變的性質(zhì)即為可塑性。可塑性是高嶺土在陶瓷坯體中成型工藝的基礎(chǔ)，也是主要的工藝技術(shù)指標(biāo)。通常用可塑性指數(shù)和可塑性指標(biāo)來表示可塑性的大小。可塑性指數(shù)是指高嶺土泥料的液限含水率減去塑限含水率，以百分數(shù)表示，即W塑性指數(shù)=100(W液性限度-W塑性限度)?？伤苄灾笜?biāo)代表高嶺土泥料的成型性能，用可塑儀直接測定泥球受壓破碎時的荷重及變形大小可得，以kg·cm表示，往往可塑性指標(biāo)越高，其成型性能越好。高嶺土的可塑性可分為四級。
可塑性強度可塑性指數(shù)可塑性指標(biāo)
強可塑性>153.6
中可塑性7—152.5—3.6
弱可塑性1—7<2.5
非可塑性<1
4．結(jié)合性
結(jié)合性指高嶺土與非塑性原料相結(jié)合形成可塑性泥團并具有一定干燥強度的性能。結(jié)合能力的測定，是在高嶺土中加入標(biāo)準(zhǔn)石英砂(其質(zhì)量組成0.25—0.15粒級占70%，0.15—0.09mm粒級占30%)。以其仍能保持可塑泥團時的最高含砂量及干燥后的抗折強度來判斷其高低，摻入的砂越多，則說明這種高嶺土結(jié)合能力就越強。通常凡可塑性強的高嶺土結(jié)合能力也強。
5．粘性和觸變性
粘性是指流體內(nèi)部由于內(nèi)摩擦作用而阻礙其相對流動的一種特征，以粘度來表示其大小(作用于1單位面積的內(nèi)摩擦力)，單位是Pa·s。粘度的測定，一般采用旋轉(zhuǎn)粘度計，以在含70%固含量的高嶺土泥漿中的轉(zhuǎn)速來衡量。在生產(chǎn)工藝中，粘度具有重要意義，它不僅是陶瓷工業(yè)的重要參數(shù)，對造紙工業(yè)影響也很大。據(jù)資料表明，國外用高嶺土作涂料，在低速涂布時要求粘度約0.5Pa·s，高速涂布時要求小于1.5Pa·s。
觸變性指已經(jīng)稠化成凝膠狀不再流動的泥漿受力后變?yōu)榱黧w，靜止后又逐漸稠化成原狀的特性。以厚化系數(shù)表示其大小，采用流出粘度計和毛細管粘度計測定。
粘性和觸變性與泥漿中礦物成分，粒度及陽離子類型有關(guān)，一般，蒙脫石含量多的，顆粒細的，交換性陽離子以鈉為主的，其粘度和厚化系數(shù)高。因此工藝上常用添加可塑性強的粘土、提高細度等方法提高其粘性和觸變性，用增加稀釋電解質(zhì)和水分等方法降低之。
6．干燥性能
干燥性能指高嶺土泥料在干燥過程中的性能。包括干燥收縮、干燥強度和干燥靈敏度等。
干燥收縮指高嶺土泥料在失水干燥后產(chǎn)生的收縮。高嶺土泥料一般在40—60℃至多不超過110℃溫度下就發(fā)生脫水而干燥，因水分排出，顆粒距離縮短，試樣的長度和體積就要發(fā)生收縮。干燥收縮分線收縮和體收縮，以高嶺土泥料干燥至恒重后長度及體積變化的百分數(shù)表示。高嶺土的干燥線收縮一般在3—10%。粒度越細，比表面積越大，可塑性越好，干燥收縮越大。同一類型的高嶺土，因摻合水的不同，其收縮也不同，多者，收縮大。在陶瓷工藝中，干燥收縮過大，坯體容易發(fā)生變形或開裂。
干燥強度指泥為干燥至恒重后的抗折強度。
干燥靈敏度指坯體干燥時，可能產(chǎn)生變形和開裂傾向的難易程度。靈敏度大，在干燥過程中容易變形和開裂。一般干燥靈敏度高的高嶺土(干燥靈敏度系數(shù)K＞2)容易形成缺陷；低者(干燥靈敏度系數(shù)K＜1)在干燥中比較安全。
7．燒結(jié)性
燒結(jié)性是指將成型的固體粉狀高嶺土坯體加熱至接近其熔點(一般超過1000℃)時，物質(zhì)自發(fā)地充填粒間隙而致密化的性能。氣孔率下降到最低值，密度達到最大值的狀態(tài)，稱為燒結(jié)狀態(tài)，相應(yīng)的溫度稱為燒結(jié)溫度。繼續(xù)加熱時，試樣中的液相不斷增加，試樣開始變形，此時溫度即稱轉(zhuǎn)化溫度。燒結(jié)溫度與轉(zhuǎn)化溫度的間隔稱燒結(jié)范圍。燒結(jié)溫度和燒結(jié)范圍在陶瓷工業(yè)中是決定坯料配方、選擇窯爐類型的重要參數(shù)。試料以燒結(jié)溫度低、燒結(jié)范圍寬(100—150℃)為宜，工藝上可以用摻配助熔原料及將不同類型的高嶺土按比例摻配的方法控制燒結(jié)溫度及燒結(jié)范圍。
8．燒成收縮
燒成收縮性是指已干燥的高嶺土坯料在燒成過程中，發(fā)生一系列物理化學(xué)變化(脫水作用、分解作用、生成莫來石，易熔雜質(zhì)熔化生成玻璃相充填于質(zhì)點間的空隙等)，而導(dǎo)致制品收縮的性能，也分為線收縮和體收縮兩種。同干燥收縮一樣，燒成收縮太大，容易導(dǎo)致坯體開裂。另外，焙燒時，坯料中若混有大量的石英，它將發(fā)生晶型轉(zhuǎn)化(三方→六方)，使其體積膨脹，也會產(chǎn)生反收縮。
9．耐火性
耐火性是指高嶺土抵抗高溫不致熔化的能力。在高溫作業(yè)下發(fā)生軟化并開始熔融時溫度稱耐火度。其可采用標(biāo)準(zhǔn)測溫錐或高溫顯微直接測定，也可用M．A．別茲別洛道夫經(jīng)驗公式進行計算。
耐火度t(℃)=[360+Al2O3-R2O]/0.228
式中：Al2O3為SiO2和Al2O3分析結(jié)果之和為100時其中Al2O3所占的質(zhì)量百分比；R2O為SiO2和Al2O3分析結(jié)果之和為100時其它氧化物所占的質(zhì)量百分比。
通過此公式計算耐火度的誤差在50℃以內(nèi)。
耐火度與高嶺土的化學(xué)組成有關(guān)，純的高嶺土的耐火度一般在1700℃左右，當(dāng)水云母、長石含量多，鉀、鈉、鐵含量高時，耐火度降低，高嶺土的耐火度最低不小于1500℃。工業(yè)部門規(guī)定耐火材料的R2O含量小于1.5—2%，F(xiàn)e2O3小于3%。
10．懸浮性和分散性
懸浮性和分散性指高嶺土分散于水中難于沉淀的性能。又稱反絮凝性。一般粒度越細小，懸浮性就越好。用于搪瓷工業(yè)的高嶺土要求有良好的懸浮性。一般據(jù)分散于水中的樣品經(jīng)一定時間的沉降速度來確定其懸浮性能的好壞。
11．可選性
可選性是指高嶺土礦石經(jīng)手工挑選，機械加工和化學(xué)處理，以除去有害雜質(zhì)，使質(zhì)量達到工業(yè)要求的性能。高嶺土的可選性取決于有害雜質(zhì)的礦物成分、賦存狀態(tài)、顆粒大小等。石英、長石、云母、鐵、鈦礦物等均屬有害雜質(zhì)。高嶺土選礦主要包括除砂、除鐵、除硫等項目。
12．離子吸附性及交換性
高嶺土具有從周圍介質(zhì)中吸附各種離子及雜質(zhì)的性能，并且在溶液中具較弱的離子交換性質(zhì)。這些性能的優(yōu)劣主要取決于高嶺土的主要礦物成分，見表8。
表8 不同類型高嶺土的陽離子交換容量
礦物成份特點陽離子交換容量
高嶺石為主2—5mg/100g
埃洛石為主13mg/100g
含有機質(zhì)（球土）10—120mg/100g
13．化學(xué)穩(wěn)定性
高嶺土具有強的耐酸性能，但其耐堿性能差。利用這一性質(zhì)可用它合成分子篩。
14．電絕緣性
優(yōu)質(zhì)高嶺土具有良好的電絕緣性，利用這一性質(zhì)可用之制作高頻瓷、無線電瓷。電絕緣性能的高低可以用它的抗電擊穿能力來衡量。
百寶箱 (2009-8-13 21:46:48)
首先，煅燒高嶺土是經(jīng)過煅燒的，晶型和原土已經(jīng)發(fā)生了改變；而水洗高嶺土只是物理處理，不會改變原土性質(zhì)。
其次，白度差別比較大，一般輕燒之后高嶺土白度會增加，而水洗不會顯著增加白度。
第三，用途不同。根據(jù)不同的煅燒溫度，高嶺土可以作為造紙?zhí)砑觿┖湍突鸩牧瞎橇?。而水洗高嶺土一般是作為造紙?zhí)盍系摹?br />
而且，煅燒高嶺土目前主要是指硬質(zhì)高嶺土（煤系高嶺土），原土沒有粘結(jié)性，不能直接作為造紙或耐火材料的原料，需煅燒以后應(yīng)用；水洗高嶺土的原土具有粘結(jié)性，可以直接做耐火材料粘結(jié)劑或造紙?zhí)盍稀?br />
就作為造紙?zhí)盍隙?，煅燒高嶺土的白度要好不少，同時成本也比較高。
高嶺土是一種主要由高嶺石組成的純凈粘土。因產(chǎn)地為我國江西省浮梁縣高嶺村而得名。它是生產(chǎn)瓷器的良好原料，在陶瓷工業(yè)中俗稱瓷土。一般高嶺土原礦中，雜質(zhì)含量較多，高嶺石含量視其純凈程度而異，經(jīng)過揀選或淘洗后，除去游離石英及其他巖屑，高嶺土可達到接近高嶺石的理論組成，即Al2O339.50％、SiO246.54％、H2O13.96％。純凈的高嶺土為白色，一般含有雜質(zhì)時，為淺灰色、灰色、淺黃色、米黃色、粉紅色、褐色或黑色。大部分原礦產(chǎn)出時呈致密或疏松的塊狀。密度2.54～2.60。硬度約1。無光澤。具有滑膩感，易用手捏成粉末。干燥后有吸水性。容易分散于水和其他液體中。常溫下難溶于酸和堿中。耐火度高，可達1770～1790℃。煅燒后顏色潔白，白度可達60％～91％。一般由長石類巖石經(jīng)風(fēng)化或水熱變化而成。根據(jù)高嶺土原礦的成因，通常把高嶺土分為兩類，一類為原生高嶺土，另一類為次生高嶺土。原生高嶺土是長石類巖石經(jīng)風(fēng)化后，其中鉀、鈉、鈣及其他可溶性物質(zhì)被雨水溶解沖走，在原處殘留的粘土，故又叫殘留粘土。這種殘留粘土中還含有大量石英顆粒和半風(fēng)化狀態(tài)的長石碎塊（后者景德鎮(zhèn)礦工稱為墨魚骨頭），兩者的總含量約為60％～70％，它是對有用高嶺土原礦評價的標(biāo)準(zhǔn)之一。所以原生高嶺土化學(xué)成分中還多少含有鉀、鈉、鈣的氧化物。次生高嶺土則是因長石類巖石風(fēng)化后，被風(fēng)吹雨淋和河水沖刷，從原來的位置帶到另一地方，在水流緩慢的地區(qū)沉積下來的粘土，故又叫沉積粘土。這種沉積粘土受到的雨水沖刷，猶如受到自然界的水選，把其中的長石碎塊、石英粗粒和其他雜質(zhì)都分離掉了。所以次生高嶺土是可塑性較強的粘土，尤其是石英含量較少，氧化鋁含量高。這種沉積粘土在我國北方較多。高嶺土的礦物組成中最主要的是高嶺石。高嶺石晶體一般呈極細的六方鱗片狀，輪廓清楚，晶片往往互相重疊，它是屬于層狀鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合力較弱，易于裂開和滑移，致使顆粒破碎、增大比表面積，提高分散度，增加可塑性，而且層間不易吸附水分子，所以沒有膨脹性。實際上，高嶺土是多晶型礦物，經(jīng)研究證明，高嶺土中除含有高嶺石外，還含有兩種獨立礦石——地開石和珍珠陶土。雖然它們都具有相同的化學(xué)式Al2O3 ·2SiO2 ·2H2O和相同的加熱特性曲線，但它們的X射線衍射鑒定特征不同。此外，富硅高嶺土是一種具有高嶺土屬性，但其SiO2與Al2O3摩爾比較高，往往接近于3的礦物，它并不是高嶺土的礦物組成。至于陶瓷工業(yè)中大家熟悉的多水高嶺土則是另一種形式的高嶺土，晶體多呈桿狀，它無論在組成和性能上都與高嶺土有差別。高嶺土在加熱過程中的變化，是陶瓷燒成中確定燒成制度的基礎(chǔ)。陶瓷的燒成過程是從常溫加熱至燒成溫度（一般為1450℃以下），這期間高嶺土發(fā)生脫水、分解、析出新晶相等物理化學(xué)變化，較為復(fù)雜。一般認為包括脫水與脫水后的產(chǎn)物繼續(xù)轉(zhuǎn)化兩個階段。（1）脫水階段100～110℃濕存水（大氣吸附水）與自由水（吸濕水）的排除；110～400℃其他礦物雜質(zhì)帶入水的排除；400～450℃晶格水開始緩慢排出；450～550℃晶格水快速排出；550～800℃脫水緩慢下來，到800℃時，排水近于停滯；800～1000℃殘余水排除完畢。上述脫水過程隨高嶺土的結(jié)晶程度而異，結(jié)晶程度差、分散度大的，脫水溫度相應(yīng)降低一些。脫水過程中，自600℃開始，高嶺石脫水變成偏高嶺石，其反應(yīng)式為：Al2O3·2SiO2·2H2OAl2O3·2SiO2+2H2O（高嶺石）（偏高嶺石）（2）脫水后的產(chǎn)物繼續(xù)轉(zhuǎn)化階段由925℃開始，偏高嶺石轉(zhuǎn)化為鋁硅尖晶石新結(jié)構(gòu)物，其反應(yīng)式為：2（Al2O3·2SiO2）2Al2O3·3SiO2+SiO2（偏高嶺石）（鋁硅尖晶石）在1050～1100℃ ，鋁硅尖晶石新結(jié)構(gòu)物開始轉(zhuǎn)化為莫來石，其反應(yīng)式為：3 （2Al2O3·3SiO2）（鋁硅尖晶石）2（3Al2O3· 2SiO2）+5SiO2（莫來石）（方石英）在1200～1400℃，莫來石晶體發(fā)育長大。隨著加熱過程中發(fā)生的這些變化，高嶺土的性能也相應(yīng)發(fā)生復(fù)雜的變化，特別是添加了其他物料后，影響變化就更大。首先，高嶺土的可塑性隨溫度升高，變化很大。當(dāng)加熱到100℃以上，失去吸附水后，其可塑性已受到極大破壞。而當(dāng)晶格水完全排出后，其可塑性就完全被破壞了，并且再也不能恢復(fù)。其次，高嶺土對酸、堿原是穩(wěn)定的，加熱脫去晶格水后，變成易溶于酸或堿。這是由于高嶺石中的Al2O3、SiO2和H2O原先結(jié)合的很緊密，不易被酸、堿所侵蝕，隨著加熱溫度升高，脫去晶格水后，Al3+變?yōu)閹в胁伙柡玩I的裸離子，所以就容易與酸、堿發(fā)生作用了。高嶺土在加熱過程中會產(chǎn)生體積的膨脹與收縮。附圖1為蘇州高嶺土膨脹收縮曲線。蘇州高嶺土在低溫下排除吸附水時，一般體積變化不顯著，有時出現(xiàn)收縮，有時則體現(xiàn)不出來。500℃之前有微小的膨脹（1％以下）。500℃開始收縮，隨著晶格水的排除，體積迅速收縮，接著收縮相對平緩，在900～950℃之間，又急劇收縮，與高嶺土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生相變相對應(yīng)。此后，在1200℃以前收縮又逐漸平緩，直至冷卻后成為永久收縮。有的產(chǎn)生過燒膨脹，是由于產(chǎn)生氣體鼓脹所致。熔融之前約200℃左右，呈燒結(jié)狀態(tài)，收縮無特異。高嶺土加熱脫水后，隨著溫度升附圖1蘇州高嶺土膨脹收縮曲線高，高嶺土逐漸燒結(jié)，氣孔率減少，結(jié)構(gòu)致密，機械強度增高，不過，不是直線增高，即在脫水時（600～700℃），可能由于處在相變的過渡階段，機械強度有明顯的降低，過了這一階段，機械強度則急劇增高。各種雜質(zhì)對高嶺土性能的影響是很顯著、很復(fù)雜的。鐵和鈦的氧化物含量是瓷器制造中決定高嶺土質(zhì)量的指標(biāo)之一，因為，即使千分之幾的含量也會影響瓷器成品的外觀質(zhì)量或者給瓷器生產(chǎn)增加許多復(fù)雜的工藝程序。堿金屬與堿土金屬氧化物以及長石等，即使少量存在也會明顯地降低高嶺土的耐火度，這是由于加熱脫水后，高嶺土中的氧化鋁與二氧化硅的結(jié)合力變?nèi)?，促使它們在高溫下與氧化鉀、氧化鈉、氧化鈣、氧化鎂以及其他雜質(zhì)化合形成低共熔混合物，使其熔融溫度明顯下降。我國高嶺土資源豐富。江西星子土、湖南界牌土、河北紫木節(jié)土、山西大同土、江蘇蘇州土、陜西上店土、廣東清遠清草嶺土等，都屬于以高嶺石為主要礦物組成的高嶺土。附表1為我國部分地區(qū)瓷土的化學(xué)組成。附表1我國部分地區(qū)瓷土的化學(xué)組成續(xù)表美國佐治亞州出產(chǎn)的高嶺土，質(zhì)地均勻，一般分為兩種，一種具有很高的強度和塑性，適用于要求較高加工性能的拉坯成型工藝。另一種通常分級控制其粒度，適用于澆注成型，并且干燥均勻，可減少制品的開裂。
煅燒高嶺土是經(jīng)特殊加工處理的高嶺土，其中鐵和堿金屬的含量均較低。顯微分析和X射線分析結(jié)果指出，煅燒高嶺土主要為與無定形硅質(zhì)材料相結(jié)合的莫來石（3A12O3·2SiO2 ）。實際上，其中所含的氧化鋁96％都已轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊硎昏F不僅含量低，而且是以氧化態(tài)存在，易與氧化鋁結(jié)合形成固溶體。煅燒高嶺土的化學(xué)組成范圍見附表1。粒度范圍從5mm～2μm。附表1煅燒高嶺土的化學(xué)組成范圍煅燒高嶺土密度2.67。軟化點略高于1770℃。最初變形點為1750～1770℃ 。含有這種煅燒高嶺土的耐火材料具有突出的性能，即耐火度高和在負荷下能保持形狀；對于熔渣、玻璃、瓷釉或搪瓷熔塊耐侵蝕能力高；耐熱沖擊強度和機械強度高?？捎米髂蜔釠_擊坯體、承受還原氣氛的耐火材料、窯具、熱絕緣體、低膨脹坯體、可滲透的陶瓷制品、精密鑄造蠟?zāi)Ｉ咸字畦T模用的耐火材料、窯墻涂料等。
